Switching – koncept

Switching och vidarebefordran av ramar är grundläggande koncept inom nätverks- och telekommunikationsområdet. Switchar används i olika nätverksmiljöer, såsom LAN, WAN och det publika telefonnätet (PSTN).

När en switch fattar beslut om hur trafik ska vidarebefordras, beaktas trafikens flöde. Två viktiga termer används för att beskriva hanteringen av ramar när de passerar genom en switch:

  • Ingress: Den port där en ram (frame) anländer till switchen.
  • Egress: Den port som används för att vidarebefordra ramar ut från switchen.

En LAN-switch använder en MAC-adresstabell för att avgöra hur trafiken ska dirigeras. Vid vidarebefordran av en Ethernet-ram tar switchen hänsyn till både den port som ramen anländer på (ingress) och dess destinations-MAC-adress.

Switchens MAC-adresstabell skapar en strikt koppling mellan MAC-adresser och portar. Detta innebär att en Ethernet-ram med en specifik destinationsadress alltid dirigeras till samma utgående port (egress), oavsett vilken ingångsport (ingress) den anländer via.

MAC-adress tabell

För att en switch ska kunna vidarebefordra dataramar till rätt port behöver den först identifiera vilka nätverksenheter som är anslutna till varje port. Detta görs genom att skapa och uppdatera en MAC-adresstabell, som kopplar samman portar med nätverksenheters MAC-adresser.

MAC-adress tabellen lagras vanligtvis i Content Addressable Memory (CAM), en speciell typ av minne som är optimerad för snabba sökningar. Därför kallas MAC-adress tabellen ibland för CAM-tabellen.

LAN-switchar hanterar inkommande dataramar genom att kontinuerligt använda och uppdatera sin MAC-adresstabell. När en nätverksenhet skickar data via en port, registrerar switchen dess MAC-adress och associerar den med den specifika porten.

Denna information gör det möjligt för switchen att exakt dirigera inkommande ramar till rätt port, så att de når den avsedda nätverksenheten. Genom att upprätthålla och använda MAC-adress tabellen effektivt säkerställer switchen snabb och korrekt trafikdirigering i nätverket.

Metoden ”Learn and Forward” för switchar

Switchens metod ”Learn and Forward” beskriver hur Ethernet-ramar hanteras. Processen består av två huvudsakliga steg:

  1. Learn – När en Ethernet-ram anländer till en switch, undersöker switchen avsändarens (source) MAC-adress och portnumret där ramen togs emot:
    • Nytt registrering:
      • Om avsändarens MAC-adress inte finns i switchens MAC-adresstabell, lägger switchen till MAC-adressen tillsammans med det inkommande portnumret i tabellen.
    • Befintlig post:
      • Om avsändarens MAC-adress redan finns i tabellen, uppdaterar switchen endast tidstämpeln för posten. Switchar behåller vanligtvis en post i MAC-adress tabellen i cirka fem minuter.
      • Om samma MAC-adress upptäcks på en annan port betraktas det som en ny post, och den tidigare posten ersätts med det uppdaterade portnumret.
  2. Forward – När switchen har ”lärt sig” om avsändarens MAC-adress och dess port, undersöker switchen destinationens MAC-adress för att avgöra hur ramen ska vidarebefordras:
    • Unicast MAC-adress – Om destinationens MAC-adress är en unicast-adress, söker switchen efter en matchning i MAC-adress tabellen. Vid en matchning skickas ramen till den specificerade porten.
    • Okänd MAC-adress – Om destinationens MAC-adress inte finns i tabellen, vidarebefordrar switchen ramen till alla portar utom den inkommande porten. Detta kallas en ”unknown unicast”.
    • Broadcast eller multicast adress – Om destinationen är en broadcast- eller multicast-adress, vidarebefordras ramen till alla portar utom den port som ramen anlände på.

Observera att en viktig aspekt av denna metod är att switchen aldrig vidarebefordrar en Ethernet-ram tillbaka till samma port som den anlände från. Detta förhindrar oönskade loopar och säkerställer en effektiv hantering av nätverkstrafiken.

Sammanfattning

Switchar hanterar nätverkstrafik genom att fatta beslut baserat på trafikens flöde. Två centrala termer används för att beskriva denna process:

  • Ingress: Porten där ramen anländer till switchen.
  • Egress: Porten där ramen skickas ut från switchen.

En LAN-switch använder en MAC-adresstabell för att bestämma hur trafiken ska vidarebefordras. Genom att koppla MAC-adresser till specifika portar skapas en tydlig koppling, vilket säkerställer att ramar alltid skickas till rätt port baserat på deras destinations-MAC-adress.

För att upprätthålla och uppdatera MAC-adresstabellen arbetar switchen enligt två huvudsteg:

  1. Learn – Switchen registrerar avsändarens (source) MAC-adress och portnumret där ramen anlände. Om MAC-adressen inte finns i tabellen läggs den till, och om den redan finns uppdateras tidstämpeln.
  2. Forward – Switchen undersöker destinationens MAC-adress och vidarebefordrar ramen till rätt port om en matchning finns i tabellen. Om destinationens MAC-adress saknas skickas ramen till alla portar utom den inkommande porten (okänd unicast), eller till alla portar vid broadcast- och multicast-trafik.

En viktig aspekt är att en Ethernet-ram aldrig vidarebefordras tillbaka till samma port den anlände från. Detta förbättrar effektiviteten och förebygger onödig nätverkstrafik. Genom att använda destinations-MAC-adresser dirigerar switchar nätverkskommunikationen till rätt port, vilket möjliggör snabb och korrekt vidarebefordran till destinationen.